Глобальный пространственно‑временной анализ взаимодействий между городскими островами тепла и экстремальными тепловыми волнами

Почему городская жара важна как никогда

Когда наступает тепловая волна, жители городов обычно ощущают её сильнее всего. Бетон, асфальт и плотная застройка удерживают тепло, создавая городские острова тепла — города, которые остаются жарче, чем окружающие территории. В этом исследовании поставлен важный вопрос: усиливают ли экстремальные тепловые волны просто городскую жару, или они взаимодействуют с городской средой так, что особенно опасными становятся ночи? Проанализировав города по всему миру почти за три десятилетия, авторы выявили, когда и где тепловые волны и городские острова тепла складываются, создавая особенно интенсивную жару, и какие физические процессы при этом ответственны.

Как проводилось исследование городов и жары

Вместо того чтобы сосредоточиться на одном городе, исследователи использовали модель климата наземной поверхности для имитации температуры воздуха как в городах, так и в соседних сельских районах для 3648 ячеек городских сеток по всему миру в период с 1985 по 2013 год. Тепловую волну они определяли как минимум три дня подряд, когда максимальная суточная температура в сельской опорной точке превышала местный 98-й процентиль для лета. Интенсивность городского острова тепла измерялась как разница между городскими и сельскими температурами воздуха на высоте двух метров над землёй — в слое, где люди фактически живут и дышат. Ключевая величина в этой работе — насколько сильнее (или слабее) становится разрыв температур «город–сельская местность» в дни тепловых волн по сравнению с типичными летними днями.

Где и когда города прогреваются сильнее всего

По всему миру команда обнаружила сильный суточный ритм в том, как тепловые волны влияют на городскую жару. Дополнительное городское потепление достигает пика незадолго до рассвета, когда города могут быть примерно на треть градуса Цельсия теплее, чем в ненесущую тепловую волну летнюю ночь, и кратковременно снижается около середины утра, когда взаимодействие может даже стать слегка отрицательным. В среднем ночи демонстрируют гораздо большую синергию между тепловыми волнами и городскими островами тепла, чем дни: ночные различия город–село увеличиваются примерно на 0,27 °C во время тепловых волн, тогда как дневные изменения близки к нулю. Пространственно дневные паттерны фрагментарны — в некоторых сельскохозяйственных и прибрежных районах наблюдается мало или даже ослабленное городское потепление в дни тепловых волн — в то время как ночные паттерны более однородны, с особенно сильными горячими точками в северной Индии и северном Китае, где дополнительное ночное городское потепление может превышать 0,8 °C.

Как климатический фон формирует городскую жару

Затем исследователи сгруппировали города по широким климатическим типам — аридному, континентальному, умеренному и тропическому — чтобы выяснить, как фоновые климатические условия контролируют эти закономерности. Все климатические зоны разделяют ту же базовую временную структуру: дополнительное связанное с тепловыми волнами городское потепление максимально ночью и минимально поздним утром. Но сила и изменчивость различаются. Континентальные климатические зоны, с жарким летом и сильными сезонными колебаниями, демонстрируют наибольшее усиление городской жары во время тепловых волн, особенно ночью. Тропические же климатические зоны проявляют наибольшую пространственную вариативность: в некоторых тропических регионах, например в частях Индии, наблюдается сильное усиление городской жары, тогда как в других, таких как части Мексики и Центральной Америки, взаимодействия ослаблены или нейтральны. Эта вариативность отражает, сколько влаги доступно в сельской местности и насколько резко различаются поверхности в городе и за его пределами.

Что вызывает дополнительную жару в городах

Чтобы разобраться, какие физические факторы наиболее важны, команда использовала модель машинного обучения, обученную на более чем шести миллионах почасовых наблюдений, в сочетании с инструментом интерпретации, ранжирующим вклад каждого фактора. Самым сильным индикатором дополнительной городской жары во время тепловых волн является то, насколько больше длинноволнового излучения — по сути, инфракрасного тепла — испускается с городских поверхностей по сравнению с сельскими. Ночью здания и покрытия в городе медленно высвобождают накопленное тепло, усиливая это исходящее излучение и удерживая городской воздух теплее, чем соседняя сельская местность. Влага также играет центральную роль, особенно днём в влажных регионах. Когда сельская местность остаётся влажной, растения там могут использовать входящую энергию для выпаривания воды и охлаждения воздуха, тогда как асфальтированные, более сухие города — нет. Это расширяет разрыв влажности между городом и сельской местностью и направляет больше энергии на нагрев городского воздуха. Скорость ветра и поток проявной (сенсибельной) тепловой энергии — прямой перенос тепла с поверхностей в воздух — становятся важнее в более сухих климатах, особенно когда низкие скорости ветра препятствуют рассеянию накопленного тепла.

Что это означает для людей, живущих в городах

Исследование показывает, что тепловые волны и городская планировка не просто суммируют свои эффекты — они взаимодействуют так, что могут существенно усилить ночную жару, особенно в определённых климатах. В влажных сельскохозяйственных или умеренных регионах наибольший риск возникает, когда тепловые волны иссушают города сильнее, чем окружающие территории, обостряя контрасты влажности и уменьшая естественное охлаждение. В континентальных и аридных регионах главными виновниками являются накопленное в зданиях тепло и застоявшийся воздух, задерживающий жару над городскими улицами. Для городских планировщиков и органов здравоохранения это означает, что эффективная защита от экстремальной жары должна быть адаптирована к местному климату: увеличение тени и влаги в влажных регионах, улучшение ночного охлаждения и вентиляции в более сухих, и всегда особое внимание ночным условиям, когда организму сложнее восстановиться после дневной жары.

Цитирование: Guo, J., Lee, X. & Zhang, K. Global spatiotemporal analysis of interactions between urban heat islands and extreme heat waves. Sci Rep 16, 9012 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37372-7

Ключевые слова: городской остров тепла, тепловые волны, адаптация к климату, городской климат, риск тепла